Heute wollen wir versuchen, die Antwort auf die Frage „Wärmeübertragung ist?….“zu finden. In dem Artikel werden wir uns überlegen, was der Prozess ist, welche Arten davon in der Natur vorkommen, und auch herausfinden, welche Beziehung zwischen Wärmeübertragung und Thermodynamik besteht.
Definition
Wärmeübertragung ist ein physikalischer Vorgang, dessen Kernstück die Übertragung von Wärmeenergie ist. Der Austausch findet zwischen zwei Körpern bzw. deren System statt. Voraussetzung ist in diesem Fall die Wärmeübertragung von stärker erhitzten Körpern auf weniger erhitzte.
Prozessmerkmale
Wärmeübertragung ist die gleiche Art von Phänomen, das sowohl bei direktem Kontakt als auch bei trennenden Trennwänden auftreten kann. Im ersten Fall ist alles klar, im zweiten können Körper, Materialien und Medien als Barrieren eingesetzt werden. Wärmeübertragung findet statt, wenn sich ein aus zwei oder mehr Körpern bestehendes System nicht im thermischen Gleichgewicht befindet. Das heißt, eines der Objekte hat im Vergleich zum anderen eine höhere oder niedrigere Temperatur. Hier findet die Übertragung von Wärmeenergie statt. Es ist logisch anzunehmen, dass es wann enden wirdwenn das System in einen Zustand des thermodynamischen oder thermischen Gleichgewichts kommt. Der Prozess läuft spontan ab, wie uns der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagen kann.
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Wärmeübertragung ist ein Prozess, der in drei Arten unterteilt werden kann. Sie werden einen grundlegenden Charakter haben, da in ihnen echte Unterkategorien unterschieden werden können, die ihre eigenen charakteristischen Merkmale zusammen mit allgemeinen Mustern haben. Bisher ist es üblich, drei Arten der Wärmeübertragung zu unterscheiden. Diese sind Leitung, Konvektion und Strahlung. Fangen wir vielleicht mit dem ersten an.
Methoden der Wärmeübertragung. Wärmeleitfähigkeit
Dies ist die Bezeichnung für die Eigenschaft eines materiellen Körpers, Energie zu übertragen. Gleichzeitig wird es vom heißeren Teil zum kälteren übertragen. Dieses Phänomen basiert auf dem Prinzip der chaotischen Bewegung von Molekülen. Dies ist die sogenannte Brownsche Bewegung. Je höher die Temperatur des Körpers ist, desto aktiver bewegen sich die Moleküle darin, da sie mehr kinetische Energie haben. Elektronen, Moleküle, Atome nehmen am Prozess der Wärmeleitung teil. Es wird in Körpern durchgeführt, deren verschiedene Teile unterschiedliche Temperaturen haben.
Wenn ein Stoff Wärme leiten kann, spricht man von einem quantitativen Merkmal. In diesem Fall spielt der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient seine Rolle. Diese Eigenschaft zeigt, wie viel Wärme pro Zeiteinheit durch Einheitsindikatoren für Länge und Fläche geleitet wird. In diesem Fall ändert sich die Körpertemperatur genau um 1 K.
Früher glaubte man, dass Wärmeaustausch inverschiedenen Körpern (einschließlich der Wärmeübertragung von umschließenden Strukturen) ist darauf zurückzuführen, dass die sogenannte Wärme von einem Körperteil zum anderen fließt. Niemand fand jedoch Anzeichen für seine tatsächliche Existenz, und als sich die molekularkinetische Theorie zu einem gewissen Grad entwickelte, vergaß jeder, an Kalorien zu denken, da sich die Hypothese als unh altbar herausstellte.
Konvektion. Wasserwärmeübertragung
Diese Methode des Wärmeenergieaustausches wird als Übertragung mittels interner Strömungen verstanden. Stellen wir uns einen Wasserkocher vor. Wie Sie wissen, steigen heißere Luftströme nach oben. Und k alte, schwerere sinken nach unten. Warum sollte es also bei Wasser anders sein? Bei ihr ist es genau so. Und im Verlauf eines solchen Zyklus werden alle Wasserschichten, egal wie viele es sind, erwärmt, bis ein Zustand des thermischen Gleichgewichts eintritt. Unter bestimmten Voraussetzungen natürlich.
Strahlung
Diese Methode basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Strahlung. Es kommt von innerer Energie. Auf die Theorie der Wärmestrahlung gehen wir nicht viel ein, wir merken nur an, dass der Grund hier in der Anordnung geladener Teilchen, Atome und Moleküle liegt.
Einfache Wärmeleitungsprobleme
Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie die Berechnung der Wärmeübertragung in der Praxis aussieht. Lassen Sie uns ein einfaches Problem im Zusammenhang mit der Wärmemenge lösen. Nehmen wir an, wir haben eine Wassermasse von einem halben Kilogramm. Anfängliche Wassertemperatur - 0 GradCelsius, final - 100. Lassen Sie uns die Wärmemenge ermitteln, die wir aufwenden, um diese Materiemasse zu erhitzen.
Dazu benötigen wir die Formel Q=cm(t2-t1), wobei Q die Wärmemenge ist, c ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser, m ist die Masse des Stoffes, t1 ist die Anfangstemperatur, t2 ist die Endtemperatur. Für Wasser ist der Wert von c tabellarisch. Die spezifische Wärmekapazität beträgt 4200 J / kgC. Jetzt setzen wir diese Werte in die Formel ein. Wir erh alten, dass die Wärmemenge gleich 210000 J oder 210 kJ ist.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik
Thermodynamik und Wärmeübertragung sind durch einige Gesetze miteinander verbunden. Sie basieren auf der Erkenntnis, dass Änderungen der inneren Energie innerhalb eines Systems auf zwei Wegen erreicht werden können. Die erste ist mechanische Arbeit. Die zweite ist die Übertragung einer bestimmten Wärmemenge. Übrigens basiert der erste Hauptsatz der Thermodynamik auf diesem Prinzip. Hier ist seine Formulierung: Wenn dem System eine bestimmte Wärmemenge zugeführt wurde, wird sie für die Arbeit an äußeren Körpern oder für die Erhöhung seiner inneren Energie aufgewendet. Mathematische Notation: dQ=dU + dA.
Vor- oder Nachteile?
Absolut alle Größen, die in der mathematischen Notation des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik enth alten sind, können sowohl mit einem „Plus“- als auch mit einem „Minus“-Zeichen geschrieben werden. Darüber hinaus wird ihre Wahl von den Bedingungen des Prozesses diktiert. Angenommen, das System erhält eine gewisse Wärmemenge. In diesem Fall erwärmen sich die darin befindlichen Körper. Daher gibt es eine Expansion des Gases, was bedeutet, dasses wird gearbeitet. Infolgedessen werden die Werte positiv sein. Wird die Wärmemenge entzogen, kühlt das Gas ab und es wird Arbeit daran verrichtet. Die Werte werden umgekehrt.
Alternative Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik
Angenommen, wir haben einen intermittierenden Motor. Darin führt das Arbeitsgremium (oder System) einen kreisförmigen Prozess durch. Es wird allgemein als Zyklus bezeichnet. Dadurch kehrt das System in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Es wäre logisch anzunehmen, dass in diesem Fall die Änderung der inneren Energie gleich Null ist. Es stellt sich heraus, dass die Wärmemenge der geleisteten Arbeit entspricht. Diese Bestimmungen erlauben es uns, den ersten Hauptsatz der Thermodynamik anders zu formulieren.
Daraus können wir verstehen, dass ein Perpetuum Mobile der ersten Art in der Natur nicht existieren kann. Das heißt, ein Gerät, das im Vergleich zu der von außen empfangenen Energie in größerem Umfang arbeitet. In diesem Fall müssen Aktionen periodisch durchgeführt werden.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik für Isoprozesse
Beginnen wir mit dem isochoren Prozess. Es hält die Lautstärke konstant. Das bedeutet, dass die Volumenänderung Null ist. Daher wird die Arbeit auch gleich Null sein. Lassen wir diesen Term aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik fallen, wonach wir die Formel dQ=dU erh alten. Dies bedeutet, dass bei einem isochoren Prozess die gesamte dem System zugeführte Wärme dazu dient, die innere Energie des Gases oder Gemisches zu erhöhen.
Lassen Sie uns nun über den isobaren Prozess sprechen. Der Druck bleibt konstant. In diesem Fall ändert sich die innere Energie parallel zur Arbeit. Hier ist die ursprüngliche Formel: dQ=dU + pdV. Wir können die geleistete Arbeit einfach berechnen. Es entspricht dem Ausdruck uR(T2-T1). Das ist übrigens die physikalische Bedeutung der universellen Gaskonstante. In Gegenwart von einem Mol Gas und einem Temperaturunterschied von einem Kelvin ist die universelle Gaskonstante gleich der Arbeit, die in einem isobaren Prozess verrichtet wird.
